DE60000806T2 - Kunststoff-Drosselklappenstutzen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft generell Drosselklappeneinheiten zum Drosseln des Verbrennungsluftstromes zu einer Brennkraftmaschine. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf Drosselklappeneinheiten, die aus Kunststoff hergestellt sind.
• Drosselklappeneinheiten für große Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen und industriellen Anlagen werden traditionell aus leichten Metallegierungen, wie Magnesium und Aluminium, hergestellt. Diese Materialien sind widerstandsfähig gegenüber erhöhten Temperaturen im Motorabteil von modernen Fahrzeugen. Sie können ferner mit den geringen Dimensionstoleranzen geformt werden, die für eine genaue und wiederholbare Steuerung des Luftstromes über eine lange Lebensdauer dieser Motoren erforderlich sind. Des weiteren besitzen sie die Steifigkeit und Festigkeit, die zur Lagerung von Drosselklappen mit großem Durchmesser (typischerweise 50-85 mm), welche für die großen volumetrischen Durchsätze von derartigen Motoren erforderlich sind, benötigt werden.
• Bei den Drosselklappen von Automobilen handelt es sich in typischer Weise um Drehklappen. Solche Drehklappen besitzen eine als Drehklappe bezeichnete etwa kreisförmige Platte, die im kreisförmigen Durchlaßkanal eines Drosselkörpers angeordnet ist, um den Durchfluß hindurch zu leiten oder zu blockieren, je nach der Drehlage der Drehklappe. Die Drehklappe bzw. Drosselklappe ist typischerweise an einer Drosselklappenwelle befestigt, die sich über den Durchlaßkanal des Drosselkörpers allgemein senkrecht zur Richtung des Verbrennungsluftstromes erstreckt. Die Drosselklappenwelle erstreckt sich durch mindestens eine Wand des Drosselkörpers und ist mit einem Drosselklappenhebel verbunden, der an der Außenseite des Drosselkörpers angeordnet ist, um die Welle zu drehen und auf diese Weise die Drosselklappe zu öffnen und zu schließen.
• In neuerer Zeit sind Drosselklappen mit einer Vielzahl von Kunststoffkomponenten vorgeschlagen und hergestellt worden. Beispielsweise findet beim Rover K-3 ein Kunststoffdrosselkörper mit einer metallischen Welle und einem Kunststofflagereinsatz Verwendung. Die US-PS 5 769 045 beschreibt einen Kunststoffdrosselkörper mit einer Stahlwelle und einem metallischen Nadelrollenlagereinsatz im Drosselkörper. In der US-PS 5 304 336 ist eine Drosselklappeneinheit mit einem Kunststoffdrosselkörper und einer gleichzeitig geformten Einheit aus Drosselkörper, Welle und Drosselklappe beschrieben. Die US-PS 5 666 988 betrifft eine Drosselklappenwelle aus Kunststoff. In der US-PS 5 098 064 ist ein Kunststoffdrosselkörper mit metallischen Lagereinsätzen zum Lagern einer metallischen Drosselklappenwelle beschrieben. Ein Beispiel ist in den Fig. 4A-B gezeigt. Alle diese Konstruktionen sind jedoch mit Problemen verbunden.
• Es gibt diverse Probleme, mit denen der Hersteller von Drosselklappeneinheiten mit Kunststoffkomponenten konfrontiert ist. Unter anderem ist der Verschleiß des Drosselkörpers signifikant. Um den Verschleiß zu reduzieren, werden typischerweise Lager oder Buchsen in einen Kunststoff drosselkörper eingesetzt, um die Drosselklappenwelle zu lagern. Ferner bereiten hohe Temperaturen in den Motorabteilen Probleme. Ein Kriechen bei erhöhten Temperaturen kann zu einer Verformung einer Drosselklappenwelle und einer Drosselklappe aus Kunststoff führen, so daß häufige Abstimmungen des Fahrzeuges erforderlich sind. Wenn sowohl der Drosselkörper als auch die Drosselklappenwelle aus Kunststoff bestehen, werden die Probleme hinsichtlich Verschleiß und Kriechen vergrößert, da beide Teile kriechen und verschleißen können, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Fehlausrichtung, Leckage und eines Versagens ansteigt.
• Die Herstellung von Drosselklappeneinheiten, die Drosselkörper und Drosselklappenwellen aus Kunststoff aufweisen, ist mit Schwierigkeiten verbunden. Wenn die Kunststoffkomponenten nicht sorgfältig ausgebildet sind und keine kritische Aufmerksamkeit auf Wanddicken, Materialauswahl, Kühlraten und Spritzgießdruck, um nur einige Faktoren zu nennen, gerichtet wird, neigen die Kunststoffkomponenten zum Schrumpfen und zum Verformen, wodurch Fehlausrichtungen, Leckagen um die Welle oder die Drosselklappe herum und sogar ein beschleunigter Verschleiß verursacht werden.
• Die vorstehend genannten Veröffentlichungen schlagen diverse Lösungen in bezug auf einige der mit der Verwendung von Kunststoff verbundenen Probleme vor. Bedauerlicherweise erzeugen diese Lösungen jedoch ihre eigenen Probleme. Beispielsweise können Kunststoff- oder Metallager oder entsprechende Buchsen in Vorsprünge eingesetzt werden, die sich vom Drosselkörper erstrecken, um die Drosselklappenwelle zu lagern. Dies macht jedoch Kunststoff vor Sprünge mit großem Durchmesser erforderlich, die sich von der Oberfläche des Drosselkörpers aus erstrecken und in die das Lager oder die Buchse eingesetzt werden kann, um die Drosselklappenwelle zu lagern und Verschleiß zu reduzieren. Bedauerlicherweise verursachen diese großen Vorsprünge jedoch eine Verformung des Durchlaßkanal es des Drosselkörpers und verhindern, daß die Drosselklappe richtig in den Durchlaßkanal des Drosselkörpers eingesetzt wird. Diese Verformung ist hauptsächlich auf das erhöhte Volumenverhältnis zwischen den Vorsprüngen und den Durchlaßkanal selbst zurückzuführen. Die großen Vorsprünge ziehen eine beträchtliche Kunst Stoff menge von der Hauptaufgabe ab, den Durchlaßkanal des Drosselkörpers auszufüllen. Hierdurch wird das Auspacken des Durchlaßkanal es des Drosselkörpers (unter Druck) verzögert, und es resultieren eine Verformung des Drosselkörperdurchlaßkanales sowie Einsenkungen an den Vorsprüngen selbst. Diese Verformungen und Einsenkungen verhindern, daß eine (separat geformte) Drosselklappe den Durchlaßkanal richtig abdichtet, wenn die Drosselklappe später in den Durchlaßkanal eingesetzt und an der Drosselklappenwelle befestigt wird.
• Schließlich erfordern diese Probleme beträchtliche Änderungen der Drosselkörperform sowie Abstimmungen und eine genaue Steuerung des Formprozesses selbst, um eine geeignete Passung zwischen der Drosselklappe und dem Durchlaßkanal zu erreichen.
• Ein weiteres Verfahren, zum Vermeiden der Verformungs-, Abdichtungs- und Verschleißprobleme besteht darin, gleichzeitig den Drosselkörper und die Drosselklappenwelle zu formen, wie dies in der US-PS 5 304 336 beschrieben ist. Bei diesem Verfahren werden die Dros selklappenwelle und der Drosselkörper in einem einzigen Herstellprozeß geformt, und zwar zuerst der Drosselkörper und dann die Drosselklappenwelle mit integrierter Drosselklappe. Wenn der Drosselkörper einmal geformt ist, werden die Stifte, die das Innere des Durchlaßkanales bilden, und diejenigen, die die Löcher in den Vorsprüngen, die die Drosselklappenwelle lagern, bilden, teilweise zurückgezogen, und geschmolzener Kunststoff wird in den auf diese Weise erzeugten Hohlraum eingespritzt. Auf diese Weise werden die gerade geformten hohlen Vorsprünge sowie die Innenwände des Drosselkörpers zu einem Teil der "Form" und bilden selbst die Drosselklappenwelle mit integrierter Drosselklappe. Bei diesem Verfahren spielen Verformungen und Verwerfungen eine geringere Rolle, da die Drosselklappenwelle und Drosselklappe durch den gerade geformten Drosselkörper selbst und nicht separat geformt und später in den Drosselkörper eingesetzt werden.
• Obwohl mit diesem zuletzt genannten Verfahren durch die Anpassung einer jeden Drosselklappenwelle und Drosselklappe aus Kunststoff an den Kunststoff drosselkörper die Abdichtung verbessert wird, werden hierbei zwei ganz verschiedene Thermoplaste benötigt: ein Kunststoff mit einem höheren Schmelzpunkt zur Ausbildung des Drosselkörpers und ein Kunststoff mit einem signifikant niedrigeren Schmelzpunkt zur Ausbildung der Welle und Drosselklappe. Es wurde ferner gefordert, den Drosselkörper unter Verwendung eines mit PTFE (Polytetrafluorethylen) vermischten Strukturkunststoff zu formen. Das PTFE wirkt dabei als Formtrennmittel und stellt sicher, daß die an Ort und Stelle geformte Welle mit Drosselklappe nicht am Drosselkörper haftet, wenn sie ausgebildet wird. Bedauerlicherweise sind hierbei ebenfalls eine komplexe Formvorrichtung, ein genaues Timing und eine genaue Sequenz des zweistufigen Spritzgießverfahrens erforderlich.
• Eine weitere Drosselklappenanordndung ist in der EP 0 433 518 A1 beschrieben. Bei dieser Anordnung besteht der Drosselkörper aus einem ersten Kunststoff, während die Drosselklappe aus einem zweiten Kunststoff besteht.
• Was daher benötigt wird, ist eine verbesserte Drosselklappenkonstruktion, bei der ein kleinerer Vorsprung zum Minimieren der Durchlaßkanalverformung verwendet werden kann, jedoch keine komplexen Mehrstufenformvorgänge benötigt werden, und mit der ein genau dimensionierter Durchlaßkanal erzielt werden kann, der in bezug auf eine danach eingesetzte und separat geformte Drosselklappe eine zufriedenstellende Abdichtung bewirkt.
• Es ist ein Ziel dieser Erfindung, eine derartige Drosselklappeneinheit zu schaffen.
• Die vorliegende Erfindung strebt danach, eine verbesserte Drosselklappeneinheit zum Steuern des Verbrennungsluftstromes für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die einen Drosselkörper, eine Drosselklappenwelle aus Kunststoff, der mit einem festen Schmiermittel gefüllt ist, und eine an der Drosselklappenwelle befestigte Drosselklappe aufweist.
• Erfindungsgemäß wird eine Drosselklappeneinheit zum Drosseln des Verbrennungsluftstromes für eine Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellt, die umfaßt: einen Drosselkörper aus einem ersten Kunststoff, der einen Durchlaßkanal zum Hindurchführen von Verbrennungsluft und einen diesen schneidenden Kanal zum drehbaren Lagern einer Drosselklappenwelle aufweist, eine Drosselklappenwelle, die sich in den den Durchlaßkanal schneidenden Kanal erstreckt, und eine fest an der Welle montierte Drosselklappe zur Drehung im Durchlaßkanal, um den Verbrennungsluftstrom zu drosseln, wobei die Drosselklappeneinheit dadurch gekennzeichnet ist, daß die Drosselklappenwelle aus einem zweiten Kunststoff besteht, bei dem es sich um ein Gemisch aus einem Harz und einem festen Schmiermittel handelt.
• Der den Durchlaßkanal schneidende Kanal verläuft allgemein senkrecht zum Durchlaßkanal und wird von zwei Vorsprüngen gebildet, die einstückig mit dem Drosselkörper geformt sind und eine innere Formfläche besitzen, die die Drosselklappenwelle kontaktiert und lagert. Die Drosselklappenwelle ist einstückig mit einem Drosselklappenarm geformt, der mit einer Drosselklappenwellendreheinrichtung in Eingriff steht. Die Drosselklappenwelle kann mindestens einen Vorsprung aufweisen, an dem die Drosselklappe fixiert ist.
• Andere prinzipielle Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für den Fachmann bei Durchsicht der nachfolgenden Zeichnungen, der detaillierten Beschreibung und der beigefügten Patentansprüche erkennbar.
• Von den Zeichnungen zeigen:
• Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Drosselklappeneinheit;
• Fig. 2 eine Schnittansicht der Drosselklappeneinheit der Fig. 1 entlang Linie 2-2 in Fig. 1 und über die Länge der Drosselklappenwelle, wobei die Befestigung der Drosselklappenwelle und ihrer Drosselklappe im Durchlaßkanal des Drosselkörpers dargestellt ist;
• Fig. 3 eine Teilschnittansicht der Drosselklappeneinheit von Fig. 1 entlang Linie 3-3 in Fig. 1 senkrecht zur Länge der Drosselklappenwelle;
• Fig. 4A und 4B Teilschnittansichten eines Drosselkörpers und einer Drosselklappenwelle des Standes der Technik, wobei die Verwendung von Lagern und Vorsprüngen mit großem Durchmesser zur Lagerung einer Drosselklappenwelle dargestellt ist; und
• Fig. 5 eine Teilschnittansicht einer Drosselklappenwelle und von Lagervorsprüngen, wobei in Umfangsrichtung verlaufende Dichtungsrippen dargestellt sind, die um die Welle, wo diese sich in den Durchlaßkanal der Drosselklappeneinheit erstreckt, herum angeordnet sind und sich von der Welle aus erstrecken.
• Bevor mindestens eine Ausführungsform der Erfindung im einzelnen erläutert wird, ist darauf hinzuweisen, daß die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die in der nachfolgenden Beschreibung erörterten oder in den Zeichnungen dargestellten Konstruktionsdetails und Anordnung von Komponenten beschränkt ist. Erfindungsgemäß können auch andere Ausführungsformen auf verschiedene Art und Weise ausgeführt werden. Es versteht sich ferner, daß die hier verwendete Phraseologie und Terminologie lediglich zur Beschreibung dient und in keiner Weise eine Beschränkung bildet.
• In den Fig. 1-3 ist eine Drosselklappeneinheit 10 dargestellt, die eine Drosselklappenwelle 12 besitzt, die sich quer über einen Verbrennungsluftkanal (oder Durchlaßkanal) 14 eines Drosselkörpers 16 erstreckt. Eine Drehklappe oder Drosselklappe 18 ist fest an der Drosselklappenwelle 12 montiert und im Verbrennungsluftkanal 14 angeordnet. Ein Drosselklapppenhebel 22 ist an der Drosselklappenwelle befestigt, und ein Kabel (nicht gezeigt) erstreckt sich vom Drosselklappenhebel aus. Im Betrieb wird der Drosselklappenhebel 22 über das Kabel gezogen, so daß die Drosselklappenwelle gedreht und damit die Drosselklappe geöffnet wird.
• Eine Drosselklappenrückzugsfeder 20 ist um den Umfang der Drosselklappenwelle 12 herum angeordnet und hat ein Ende, das mit der Drosseklappenwelle in Eingriff steht, und ein anderes Ende das mit dem Drosselkörper in Eingriff steht. Die Rückzugsfeder 20, die um die Drosselklappenwelle gewickelt ist, dreht die Drosselklappenwelle in eine im wesentlichen geschlossene Position, wenn das Kabel nachgelassen wird. In der im wesentlichen geschlossenen Position stößt der Drosselklappenhebel 22 gegen einen Drosselklappenanschlag 24, der in den Drosselkörper 16 geschraubt ist. Auf diese Weise zieht die Rückzugsfeder 20 den Drosselklappenhebel 22 gegen den Drosselklappenanschlag 24, wenn das Kabel nachgelassen wird. Der Drosselklappenhebel 22 ist vorzugsweise einstückig mit der Welle 12 geformt.
• Eine Öffnung 26 ist im Hebel 22 dort vorgesehen, wo der Hebel gegen den Drosselklappenanschlag 24 stößt. Diese Öffnung ermöglicht eine Einstellung des Drosselklappenanschlages 24, wenn die Drosselklappe geschlossen ist. Der Drosselklappenanschlag 24 besitzt eine Ausnehmung 28, mit der ein Schraubendreher, ein Sechskantschlüssel, ein Drehmomentschlüssel oder ein entsprechendes Drehwerkzeug in Eingriff treten kann, um den Drosselklappenanschlag in den Drosselkörper 16 hinein oder aus diesem heraus zu schrauben.
• Um den Drosselklappenanschlag (der in typischer Weise den minimalen Luftstrom zum Motor reguliert) einzustellen, wird das Werkzeug durch die Öffnung 26 in die Ausnehmung 28 eingesetzt, so daß es mit dieser in Eingriff tritt und Drehkräfte überträgt. Wenn der Drosselklappenanschlag 24 gedreht wird, rückt er in den Drosselkörper 16 vor oder wird aus diesem heraus bewegt. Da der Drosselklappenhebel 22 von der Rückzugsfeder 20 gegen den Drosselklappenanschlag 24 gehalten wird, wird durch die Einstellung des Drosselklappenanschlages 24 auch die Drehlage des Drosselklappenhebels 22, der Drosselklappenwelle 12 und der Drosselklappe 18 eingestellt.
• Die Drosselklappenwelle 12 erstreckt sich über den Verbrennungsluftkanal 14 und wird an jedem Ende durch Vorsprünge 30 und 32 drehbar gelagert. Diese Vorsprünge sind so dimensioniert, daß sie eine Drehung der Drosselklappenwelle 12 relativ zum Drosselkörper 16 ermöglichen, jedoch das Lecken von Luft in den Kanal 14 oder aus demselben zwischen der Drosselklappenwelle 12 und den Vorsprüngen 30, 32 beschränken. Die Vorsprünge sind auf gegenüberliegenden Seiten des Dros selkörpers 16 vorgesehen und so angeordnet, daß sie die Drosselklappenwelle 12 im wesentlichen in der Mitte des Drosselkörpers 16 und im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Kanales 14 (d. h. der Richtung des Luftstromes) positionieren. Die Welle 12 besitzt in dem Bereich, in dem sie vom Drosselkörper 16 drehbar gelagert wird, einen Durchmesser von 9-13 mm, vorzugsweise zwischen 10 und 12 mm.
• Zwei Vorsprünge 17, 19 erstrecken sich von der Drosselklappenwelle aus durch entsprechende Löcher in der Drosselklappe 18. Diese sind an den Enden pilzförmig ausgebildet, um die Drosselklappe 18 an der Welle 12 zu befestigen.
• Wie in Fig. 2 gezeigt, lagert der Vorsprung 30 eine Länge der Drosselklappenwelle zwischen dem Drosselklappenhebel 22 und der Drosselklappe 18. Wenn man die bevorzugte Durchschnittswanddicke des Verbrennungluftkanales 14 von 2 bis 4 mm voraussetzt, wird durch diese zusätzliche Lagerung eine ausgeweitete Lagerfläche für die Drosselklappenwelle 12 gebildet. Der Vorsprung 30 hat vorzugsweise eine Wanddicke zwischen 2 und 4 mm.
• Bei separat montierbaren Drosselklappeneinheiten des Standes der Technik ist der Bohrungsdurchmesser eines ersten Vorsprunges (Teil 30' in Fig. 4B) aufgrund der Notwendigkeit des Einsetzens von Kunststoff- oder Metallbuchsen oder entsprechenden Lagern in den ersten Vorsprung, um die danach eingesetzten Drosselklappenwellen zu umgeben und zu lagern, wesentlich größer ausgebildet. Das hat zur Folge, daß bei einem Vorsprung mit einer typischen Wanddicke von 2-6 mm das Verhältnis zwischen der Wanddicke des Vorsprunges zum Gesamtdurchmesser des Vorsprunges vorzugsweise zwischen 1 : 4 und 1 : 8, bevorzugter zwischen 1 : 5 und 1 : 7, liegt, während das Verhältnis zwischen der Wanddicke des Vorsprunges und der Wanddicke des Verbrennungsluftkanales vorzugsweise zwischen 1 : 1 und 1 : 2 liegt. Der Innendurchmesser des Vorsprunges 30 liegt zwischen 9 und 13 mm, vorzugsweise zwischen 10 und 12 mm.
• Der praktische Effekt des Eliminierens des Lagers oder der Buchse besteht darin, daß das Kunststoffvolumen, das zur Ausbildung des Vorsprunges benötigt wird, verringert wird, da der Innendurchmesser des Vorsprunges verringert wird. Durch Verringerung des zur Ausbildung des ersten Vorsprunges erforderlichen Kunststoffvolumens wird eine nachfolgende Verringerung oder Eliminierung von Eintiefungen und Hohlräumen in der Verbrennungsluftkanalwand, wo diese Wand sich an den ersten Vorsprung 30 anschließt, erreicht.
• Wie am besten in den Fig. 2 und 3 gezeigt, umgibt ein Abschnitt T der Kanalwand die Drosselklappe 18, wenn sich diese in einer im wesentlichen geschlossenen Position befindet. Wenn sich die Drosselklappe 18 in dieser im wesentlichen geschlossenen Position befindet, wird ein schmaler Spalt zwischen dem Rand der Drosselklappe 18 und der Kanalwand gebildet, um den Durchfluß einer sehr kleinen Luftmenge zu ermöglichen. Dieser Spalt wird durch Einstellung des Drosselklappenanschlages 24 sorgfältig gesteuert.
• Ziemlich kleine Einstellungen des Drosselklappenanschlages 24, die sehr kleine Bewegungen der Drosselklappe 18 in Richtung auf ihre im wesentlichen geschlossene Position oder von dieser weg verursachen, können zu dramatischen Änderungen im Verhalten einer Brennkraftmaschine, an der die Drosselklappeneinheit 10 befestigt ist, führen. Eintiefungen, Hohlräume und Verformungen der inneren Kanalwand im Bereich T führen in entsprechender Weise zu dramatischen Veränderungen des Verhaltens des Motors, selbst wenn sie ziemlich gering sind. Dies trifft besonders für Drosselkörper zu, bei denen die Drosselklappe 18 in einem separaten Prozeß ausgebildet und danach an der Drosselklappenwelle 12 befestigt wird. Schlimmstenfalls kann es unmöglich sein, die Drosselklappe 18 ausreichend zu schließen, damit der Motor im Leerlauf arbeiten kann. Durch das Eliminieren eines Lagers, einer Buchse oder eines Einsatzes zur Lagerung der Drosselklappenwelle kann der Innendurchmesser des Vorsprunges 30 reduziert werden. Hierdurch kann der Außendurchmesser des Vorsprunges 30 verringert werden, wodurch das Kunststoffvolumen reduziert wird, das in den Formhohlraum geleitet wird, der den Vorsprung 30 bildet.
• Das Ausmaß, um das das Vorsprungsvolumen reduziert wird, kann als volumetrisches Verhältnis ausgedrückt werden, nämlich das Verhältnis zwischen dem Kunststoffvolumen in den Vorsprüngen 30 und 32 (nachfolgend beschrieben) und dem Kunststoffvolumen, das den Durchlaßkanal des Drosselkörpers im Bereich T bildet. Der Bereich T wird als derjenige Abschnitt des Drosselkörperkanales definiert, der sich zwischen dem oberen Rand der Drosselklappe 18 und dem unteren Rand der Drosselklappe 18 erstreckt, wenn diese geschlossen ist. Bei der Ausführungsform der Fig. 1-3 können Verhältnisse zwischen dem Vorsprungsvolumen und dem Durchlaßkanalvolumen von 0,5 oder weniger erzielt werden. Bei einer sorgfältigen Konstruktion können Vorsprungs/Durchlaßkanalvolumenverhältnisse von 0,3 oder weniger erreicht werden.
• Der zweite runde Vorsprung 32 ist auf der diametral gegenüberliegenden Wand des Drosselkörpers vorgesehen, um das freie Ende der Drosselklappenwelle aufzunehmen und zu lagern. Der zweite Vorsprung besitzt die gleichen Dicken- und Durchmesserverhältnisse wie vorstehend in Verbindung mit dem ersten Vorsprung beschrieben. Wie in Fig. 4A gezeigt, besitzen Vorsprünge 32' des Standes der Technik, die das freie Ende der Drosselklappenwelle lagern, aufgrund der Notwendigkeit, ein Lager (wie gezeigt), eine Buchse oder einen Einsatz vorzusehen, um das freie Ende der Drosselklappenwelle zu lagern, größere Innen- und Außendurchmesser.
• Der Drosselkörper 16 besteht vorzugsweise aus Kunststoff, wie Polyamid (PA), Polybutylenterephthalat (PBT), Hochtemperaturnylon (HTN), syndiotaktisches Polystyrol (SPS), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES), Polyamid-imid (PAI), Polyphthalamid (PPA), Polypropylen (PP) oder Polyethylenterephthalat (PET). Hiervon werden PA, PBT, HTN, SPS, PPS und PEI bevorzugt. Von diesen werden PA, PBT, HTN und SPS besonders bevorzugt. Wenn der Drosselkörper einstückig mit einem Einlaßkrümmer geformt ist, sind die bevorzugten Materialien zur Ausbildung dieser integrierten Einheit PA. PBT, PET, SPS und PP.
• Die Drosselklappenwelle 12 besteht aus einem Gemisch aus einem Harz und einem festen Schmiermittel, wobei es sich bei dem Harz vorzugsweise um Hochtemperaturnylon (HTN), Polyetherimid (PEI), Polyamid (PA), Polyphthalamid (PPA), Polyphenylensulfid (PPS), Polyethersulfon (PES), Flüssigkristallpolymer (LCP, "Zenite" von der Firma DuPont), Polyetherketon (PEK) und Polyamid-imid (PAI) handelt. Bei dem festen Schmiermittel handelt es sich vorzugsweise um einen fluorierten Kohlenwasserstoff, um Graphit oder um Molybdändisulfid. Der bevorzugte fluorierte Kohlenwasserstoff ist ein Fluorethylenpolymer, am bevorzugtesten Polytetrafluorethylen (PTFE). Der Massenanteil des festen Schmiermittels im Gemisch aus dem Harz und dem festen Schmiermittel liegt vorzugsweise zwischen 8% und 20%. Er liegt bevorzugter zwischen 12% und 18%. Die Zugabe eines festen Schmiermittels zu den traditionellen Drosselklappenwellenharzen ist nachteilig, da hierdurch die Festigkeit und der Elastizitätsmodul der Drosselklappenwelle 12 beträchtlich verringert werden. Beispielsweise wurde festgestellt, daß ein Material aus 100% Polyamid eine Zugfestigkeit von 12.000 psi besitzt, während das gleiche Material mit einem Anteil von 20 Gew.-% PTFE eine Festigkeit von 9.000 psi aufweist. Ferner beträgt der Biegemodul des Materiales aus 100% Polyamid 410 ksi, während das 80/20-Polyamidgemisch nur einen Wert von 350 ksi besitzt. Ein PTFE-Gemisch für eine Drosselklappenwelle würde daher deren Festigkeit und Zähigkeit beträchtlich verringern.
• In der Praxis versagen jedoch Drosselklappenwellen mit zugesetzten festen Schmiermitteln, wie PTFE, nicht so oft, wie dies die Statistik aussagt. In der Tat zeigen Tests, die die spezielle Umgebung simulieren, daß entgegen Erwartungen mit festen Schmiermitteln, wie PTFE, gefüllte Drosselklappenwellenmaterialien bei Mißbrauch eine höhere Zähigkeit besitzen.
• Während eines typischen Tests wird mit dem Drosselkörper 16 ein Zyklus zwischen -40ºC und +140ºC gefahren. Der Test umfaßt einen Schnapptest, bei dem der Drosselklappenhebel 22 vom Drosselklappenanschlag 24 weggezogen wird, bis die Drosselklappe vollständig offen ist, wonach der Hebel freigegeben wird, an welchem Punkt die Rückzugsfeder 20 bewirkt, daß die Drosselklappenwelle 12 und die Drosselklappe 18 sich zur geschlossenen Position hin beschleunigen. Wenn der Drosselklappenhebel 22 plötzlich auf den Drosselklappenanschlag 24 trifft, erfährt die Untereinheit aus Hebel/Welle/Klappe eine beträchtliche Verzögerung. Das hat zur Folge, daß eine wesentliche oszillierende Torsionsbelastung auf die Welle 12 aufgebracht wird, wenn die Klappe 18 vor und zurück schwingt. Dieser Test wird in typischer Weise über tausend Zyklen durchgeführt. Der Test umfaßt ferner ein zyklisches Testen, bei dem die Klappe über zwei Millionen Zyklen rasch geöffnet und geschlossen wird. Bei beiden Tests wird die Auslaßseite der Klappe mit Unterdruck beaufschlagt, um den Unterdruck des Motors und somit die durch diesen Unterdruck auf die Drosselklappenwelle aufgebrachten Biege- und Scherkräfte zu simulieren.
• Dieser Testprozeß wurde entwickelt, um die Arten von Belastungen zu simulieren, die während der Betriebsdauer einer Drosselklappenwelle auf diese aufgebracht werden. Diese oszillierenden Torsionsbelastungen und Biegemomente haben den zusätzlichen Effekt einer Verfestigung einer mit PTFE gefüllten Drosselklappenwelle in einer Art und Weise, die durch die veröffentlichten Festigkeits- und Dehnungswerte nicht vorgeschlagen wird.
• Die oszillierenden Torsionsbelastungen bewirken, daß sich die Welle bei Torsion elastisch durchbiegt und danach wieder zu einem spannungsfreien Zustand entspannt. Diese Torsionssurchbiegung und -entspannung bewirkt, daß das PTFE von den unter Spannung stehenden Fasern zur Oberfläche der Welle wandert, wodurch die Festigkeit der Welle in den unter Spannung stehenden Schichten (den äußeren Umfangsschichten) erhöht und eine Schicht aus PTFE auf der Oberfläche der Welle abgelagert wird. Je mehr die Welle dem Zyklus ausgesetzt wird, desto mehr PTFE wandert zur Oberfläche und desto höher wird die Wellenfestigkeit und desto besser wird die Schmierung. Diese Verfestigung unterscheidet sich von einer Kalthärtung, da eine Kalthärtung eine plastische Verformung der Welle erfordert, welcher Zustand vermieden werden sollte. Durch eine plastische Verformung der Welle und der Klappe können eine Fehlausrichtung und ein beschleunigter Verschleiß verursacht werden.
• Durch Verwendung eines festen Schmiermittels wird auch die Verunreinigung von Motoren und Widerständen, die mit der Welle gekoppelt sind, verringert, da das PTPE nicht entlang der Wellenoberfläche wandert, wie dies Öl tut, das einen an der Welle befestigten Widerstand oder Motor verunreinigt.
• Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform einer Drosselklappenwelle 12, bei der eine Vielzahl von sich nach außen erstreckenden kreisförmigen Rippen oder Rücken 50 entlang ihrer Länge angeordnet ist, um eine Abdichtung gegen die Innenfläche des ersten und zweiten runden Vorsprunges durchzuführen. Diese Rippen haben vorzugsweise eine Höhe von 0,1-2,0 mm, sind hier jedoch aus Klarheitsgründen nicht in ihrer tatsächlichen Größe dargestellt. Die PTFE-Wanderung in der Drosselklappenwelle ist signifikant genug, so daß diese Rippen die Welle in der Bohrung der Vorsprünge zentrieren.
• Zur Herstellung und Montage der Drosselklappeneinheit wird der Drosselkörper 16 (einschließlich der Vorsprünge 30, 32) vorzugsweise aus Kunststoff geformt. Die Drosselklappenwelle 12 und die Drosselklappe 18 werden ebenfalls vorzugsweise aus Kunststoff geformt. Wenn die Welle 12 geformt worden ist, wird sie in den von den Vorsprüngen 30, 32 gebildeten Kanal eingesetzt. Die Klappe 18 wird dann in den Durchlaßkanal 14 eingesetzt und an den Vorsprüngen 17, 19 positioniert. Diese Vorsprünge werden mit Pilzköpfen versehen, um die Klappe 18 an der Welle 12 zu befestigen. Alternativ dazu kann die Klappe 18 durch Schrauben oder Nieten an der Welle 12 befestigt werden.
• Erfindungsgemäß wird somit ein Kunststoffdrosselkörper zur Verfügung gestellt, der die vorstehend wiedergegebenen Ziele und Vorteile auf vollständige Weise erreicht. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit speziellen Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, daß dem Fachmann viele Alternativen, Modifikationen und Variationen bekannt sind. Diese Alternativen, Modifikationen und Variationen, die unter den Umfang der nachfolgenden Patentansprüche fallen, werden von der Erfindung mit umfaßt.

Claims (14)

1. Drosselklappeneinheit (10) zum Drosseln des Verbrennungsluftstromes zu einer Brennkraftmaschine mit

einem Drosselkörper (16) aus einem ersten Kunststoff, der einen Durchlaßkanal (14) für die Verbrennungsluft und einen diesen schneidenden Kanal zur drehbaren Lagerung einer Drosselklappenwelle bildet,

einer Drosselklappenwelle (12), die sich in den den Durchlaßkanal schneidenden Kanal erstreckt, und

einer Drosselklappe (18), die fest an der Drosselklappenwelle montiert ist, um sich im Durchlaßkanal zu drehen und den Verbrennungsluftstrom zu drosseln,

dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselklappenwelle (12) aus einem zweiten Kunststoff besteht, bei dem es sich um ein Gemisch aus einem Harz und einem festen Schmiermittel handelt.

2. Drosselklappeneinheit nach Anspruch 1, bei der der den Durchlaßkanal schneidende Kanal im wesentlichen senkrecht zum Durchlaßkanal (14) verläuft und von einem ersten und zweiten Vorsprung (30, 32) gebildet wird, die einstückig mit dem Drosselkörper (16) geformt sind und eine innere Formfläche besitzen, die so angeordnet ist, daß sie die Drosselklappenwelle (12) kontaktiert und lagert.

3. Drosselklappeneinheit nach Anspruch 2, bei der die Drosselklappenwelle (12) einstückig mit einem Drosselklappenarm (22) geformt ist, der zum Eingriff mit einer Drosselklappenwellendreheinrichtung (20) ausgebildet ist.

4. Drosselklappeneinheit nach Anspruch 3, bei der die Drosselklappenwelle (12) mindestens einen Vorsprung (17, 19) aufweist und die Drosselklappe (18) fest an dem mindestens einen Vorsprung montiert ist.

5. Drosselklappeneinheit nach Anspruch 1, bei der das feste Schmiermittel Polytetrafluorethylen (PTFE) umfaßt.

6. Drosselklappeneinheit nach Anspruch 5, bei der der Massenanteil des festen Schmiermittels zwischen 8% und 20% liegt.

7. Drosselklappeneinheit nach Anspruch 6, bei der der Massenanteil des festen Schmiermittels zwischen 12% und 18% liegt.

8. Drosselklappeneinheit nach Anspruch 1, bei der das Harz im zweiten Kunststoff aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Hochtemperaturnylon (HTN), Polyetherimid (PEI), Polyamid (PA), Polyphthalamid (PPA), Polyphenylensulfid (PPS), Polyethersulfon (PES), Flüssigkristallpolymer (LCT), Polyetherketon (PEK) und Polyamid-imid (PAI) besteht.

9. Drosselklappeneinheit nach Anspruch 1, bei der das feste Schmiermittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus PTFE, Graphit und Molybdändisulfid besteht.

10. Drosselklappeneinheit nach Anspruch 8, bei der sowohl der erste als auch der zweite Kunststoff Polyamid (PA) umfaßt.

11. Drosselklappeneinheit nach Anspruch 5, bei der der Durchlaßkanal (14) eine Leitung ist.

12. Drosselklappeneinheit nach Anspruch 11, bei der die Drosselklappe (18) aus Kunststoff geformt und nach ihrem Einsetzen in den Drosselkörper (16) separat an der Drosselklappenwelle (12) befestigt ist.

13. Drosseklappeneinheit nach Anspruch 5, die ein Volumenverhältnis zwischen einem Vorsprung und dem Durchlaßkanal von 0,5 oder weniger besitzt.

14. Drosselklappeneinheit nach Anspruch 13, die ein Volumenverhältnis zwischen einem Vorsprung und dem Durchlaßkanal von 0,3 oder weniger besitzt.